CN117826153A - 基于fpga的高效合成孔径雷达图像处理系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于图像处理技术领域,具体涉及一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统及其实现方法,所述方法包括:系统上电启动后,接收合成孔径雷达的回波数据;利用预处理模块对接收到的回波数据进行预处理;利用复数核算单元对回波数据进行处理,生成二维时域信号;利用低资源消耗DFT模块将二维时域信号转化为二维波数域信号,并利用滤波器对二维波数域信号进行滤波;对滤波后的二维波数域信号进行成像显示;将得到的图像通过HDMI接口传输传到HDMI显示模块输出显示。本发明通过FPGA硬件实现的优化,本系统能够显著提高数据处理速度,使得SAR图像处理更接近实时或近实时性能。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域,具体涉及一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统及其实现方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)是一种先进的微波遥感系统,它通过发射电磁波信号并处理接收到的地面回波信号,能够在全天时、全天候的条件下获得高分辨率的微波图像。SAR技术在海洋、地球资源探测、自然灾害监测等领域具有重要应用价值。SAR卫星通过发射大带宽信号来获得垂直航迹维的高分辨率,并利用合成孔径技术获得沿航迹维的高分辨率。这一过程包括发射调制信号、接收经地面反射的信号、以及进行下变频解调、数字化采样和精细成像的处理。SAR图像中包含的是信号的幅度与相位信息,因而呈现出类似清晰黑白照片的效果。
现有技术主要依赖于软件平台(如MATLAB)进行数据处理和图像重建。软件平台在处理合成孔径雷达数据时能以高分辨率成像,这对详细地表观测、目标识别和变化检测等应用至关重要。软件平台也能够有效处理在多种环境条件下收集的数据,提供可靠的图像质量。软件平台通常提供多种数据处理选项和算法,可以根据具体应用需求进行调整,以优化图像质量和分析结果。
然而软件平台处理仍有很多局限性。比如:
SAR数据通常具有高数据量和复杂性。软件平台在处理这些数据时可能会遇到效率问题,尤其是在需要快速处理和分析数据的场景中,如实时监测和应急响应。在处理大规模或复杂数据集时,软件平台可能需要显著的计算能力,这可能导致高能耗和需要高性能计算硬件。在某些情况下,为了提高处理速度,可能会牺牲图像的质量。例如,一些算法可能在减少噪声和提高图像清晰度方面表现不佳,尤其是在处理高分辨率数据时。由于SAR数据的体积通常很大,因此数据存储和传输也成为一个问题。这可能限制了数据处理的地理位置和访问速度。传统的软件平台可能不易于适应新的算法和技术。随着SAR技术的不断进步,更新和维护这些软件以适应新的数据处理需求可能是一个挑战。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统及其实现方法。
一方面,本发明提供一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统,包括:预处理模块,复数核算单元、低资源消耗DFT模块、快速傅里叶变换模块、滤波器、存储单元、HDMI显示模块;
所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理;
所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算,以生成二维时域信号;
所述低资源消耗DFT模块用于在硬件上实现高效的DFT和IDFT;
所述滤波器用于优化数据流和减少延迟,确保实时数据处理;
所述快速傅里叶变换模块用于执行高速一维和二维FFT运算,实现快速数据转换和成像;
所述HDMI显示模块用于对成像数据进行显示;
所述存储单元用于存储数据。
优选的,所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理,包括:
所述滤波器使用高斯滤波器,通过高斯滤波器对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行降噪滤波处理,并对数据进行校准,防止出现过大偏差。
优选的,所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算,包括:
对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行共轭处理;
提取共轭处理后的数据的复数特征信息;所述复数特征信息包括幅度和相位,幅度表示信号的强度,相位提供信号的时间和空间特征信息;
通过复数累加乘法对复数特征信息增强滤波效果,生成二维时域信号。
优选的,所述低资源消耗DFT模块用于在硬件上实现高效的DFT和IDFT,包括:
对二维时域信号进行DFT2D,将时域信号转化为波数域信号,再次使用滤波器对得到的信号进行滤波;其中,DFT2D表示二维傅里叶变换;
对滤波后的波数域信号进行IDFT2D处理,将波数域信号转换回时域成像数据;其中,IDFT2D表示二维离散傅里叶逆变换。
另一方面,本发明提供一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像系统实现方法,基于权利要求1~4任一项所述的基于FPGA的高效合成孔径雷达图像系统,包括:
S1、系统上电启动后,接收合成孔径雷达的回波数据;
S2、利用预处理模块对接收到的回波数据进行预处理;
S3、利用复数核算单元对回波数据进行处理,生成二维时域信号;
S4、利用低资源消耗DFT模块将二维时域信号转化为二维波数域信号,并利用滤波器对二维波数域信号进行滤波;
S5、对滤波后的二维波数域信号进行成像显示;
S6、将得到的图像通过HDMI接口传输传到HDMI显示模块输出显示。
本发明的有益效果:
1、提高处理速度:通过FPGA硬件实现的优化,本系统能够显著提高数据处理速度,使得SAR图像处理更接近实时或近实时性能。
2、降低功耗和成本:本发明利用FPGA的高效计算能力,减少了对传统高功耗处理单元的依赖,从而降低整体系统的功耗和成本。
3、保持或提高图像质量:尽管本系统着重于提高效率和减少资源消耗,但它也能够保持或甚至提高SAR图像的质量,这对于各种应用场景都至关重要。
附图说明
图1为本发明的一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统总体框架图;
图2为本发明的低资源消耗DFT模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统,如图1所示,包括:预处理模块,复数核算单元、低资源消耗DFT模块、快速傅里叶变换模块、滤波器、存储单元、HDMI显示模块;
所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理;
所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算,以生成二维时域信号;
所述低资源消耗DFT模块用于在硬件上实现高效的DFT和IDFT;
所述滤波器用于优化数据流和减少延迟,确保实时数据处理;
所述快速傅里叶变换模块用于执行高速一维和二维FFT运算,实现快速数据转换和成像;
所述HDMI显示模块用于对成像数据进行显示;
所述存储单元用于存储数据。
在本实施例中,所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理,包括:
所述滤波器使用高斯滤波器,通过高斯滤波器对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行降噪滤波处理,并对数据进行校准,防止出现过大偏差。
在本实施例中,所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算,包括:
对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行共轭处理;
提取共轭处理后的数据的复数特征信息;所述复数特征信息包括幅度和相位,幅度表示信号的强度,相位提供信号的时间和空间特征信息;
通过复数累加乘法对复数特征信息增强滤波效果,生成二维时域信号。
在本实施例中,如图2所示,所述低资源消耗DFT模块用于在硬件上实现高效的DFT和IDFT,包括:
对二维时域信号进行DFT2D,将时域信号转化为波数域信号,再次使用滤波器对得到的信号进行滤波;其中,DFT2D表示二维傅里叶变换;
对滤波后的波数域信号进行IDFT2D处理,将波数域信号转换回时域成像数据;其中,IDFT2D表示二维离散傅里叶逆变换。
一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像系统实现方法,包括:
S1、系统上电启动后,接收合成孔径雷达的回波数据;
S2、利用预处理模块对接收到的回波数据进行预处理;
S3、利用复数核算单元对回波数据进行处理,生成二维时域信号;
S4、利用低资源消耗DFT模块将二维时域信号转化为二维波数域信号,并利用滤波器对二维波数域信号进行滤波;
S5、对滤波后的二维波数域信号进行成像显示;
S6、将得到的图像通过HDMI接口传输传到HDMI显示模块输出显示。
步骤S2中,对数据预处理包括:
噪声滤波处理:雷达数据中一般包含噪声,要先对数据进行滤波处理,利用高斯滤波器,匹配滤波器等除去噪声。
数据校准:对数据进行校准,防止出现过大偏差
步骤S3中,对数据进行复数处理模块处理包括:
数据共轭:利用二维反离散傅里叶变换时需要对数据进行共轭处理;
特征提取:复数数据中的幅度和相位是重要数据,幅度表示信号的强度,而相位提供信号的时间和空间特征信息。对数据进行处理以提取数据的复数特征信息。
复数累加乘法:复数累加乘法可以起到增强滤波效果作用,生成二维时域信号。
步骤S4中:对复数处理模块生成的二维时域信号进行二维傅里叶变换(DFT2D),将时域信号转化为波数域信号,再次对得到的信号进行滤波。
对步骤S4中得到的波数域信号进行IDFT2D处理,将滤波结果转换回时域成像数据。
现有的RMA成像方法包括以下步骤:
第一步为时域距离校准,将原始雷达数据与预先可知的距离校准因子进行点乘,在距离向进行校准。
第二步为时域相位校准,将原始雷达数据与预先可知的相位校准因子进行点乘,对数据相位进行校准。
第三步为基于多重一维快速傅里叶变换的降维操作,将原始雷达数据在深度方向进行压缩,达到降维的目的,最终使得数据深度从64压缩到1。
第四步为二维快速傅里叶变换,将时域信号转换为频域信号。
第五步为匹配滤波,将输入频域信号与匹配滤波因子进行点乘,实现滤波的作用
第六步为二维逆快速傅里叶变换,将过滤后的频域信号转化会时域信号。
以上RMA成像方法在FPGA硬件加速中存在一些问题:
1)在第一步至第三步间的计算存在冗余操作。
2)第四步和第六步的二维快速傅里叶变换也不可直接在低硬件资源的FPGA中实现。
针对这样的问题,本发明对该算法进行分解重构优化,其优化后的算法原理图如图2所示,具体包括以下步骤:
第一步为预处理校准,该步骤将原始算法中的时域距离校准、时域相位校准和多重一维快速傅里叶变换的降维操作进行合并,将原始的雷达信号与预处理校准因子进行点乘。该步骤的时间复杂度从原始算法的2xDxNxM+2xDxlog(D)xNxM减少为DxNxM,其中D为雷达数据深度,N为雷达数据长度,M为雷达数据宽度。
第二步为水平向一维快速傅里叶变换,第三步为垂直向一维快速傅里叶变换,这两步将原本的二维快速傅里叶变换进行分解重构,用若干次一维快速傅里叶变换来等效。这样等效的好处是会大大减少该成像方法在FPGA中实现的硬件资源占用。
第四步为匹配滤波,将输入频域信号与匹配滤波因子进行点乘,实现频域滤波的作用。
第五步为水平向一维逆快速傅里叶变换,第六步为垂直向一维逆快速傅里叶变换,这两步将原本的二维逆快速傅里叶变换进行分解重构,用若干次一维逆快速傅里叶变换来等效。
步骤S6即将时域成像数据通过HDMI接口传输到HDMI显示器上进行显示。
硬件实现步骤流程
步骤1:对原始三维信号s(x,y,n)进行滤波以去除噪声,然后使用乘积法提取二维信号s(x,y).
步骤2:对二维信号数据进行两次FFTID和转置操作,得到二维频域信号S(u,v)
步骤3:将二维频域信号S(u,v)与exp(-jk zz0)相乘,进行滤波。
步骤4:进行两次IFFTID和转置运算S(u,v),并得到二维时域信号o(x,y)
步骤5:计算出二维时域信号的结果并显示
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统,其特征在于,包括:预处理模块,复数核算单元、低资源消耗DFT模块、快速傅里叶变换模块、滤波器、存储单元、HDMI显示模块;
所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理;
所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算,以生成二维时域信号;
所述低资源消耗DFT模块用于在硬件上实现高效的DFT和IDFT;
所述滤波器用于优化数据流和减少延迟,确保实时数据处理;
所述快速傅里叶变换模块用于执行高速一维和二维FFT运算,实现快速数据转换和成像;
所述HDMI显示模块用于对成像数据进行显示;
所述存储单元用于存储数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统,其特征在于,所述预处理模块对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行预处理,包括:
所述滤波器使用高斯滤波器,通过高斯滤波器对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行降噪滤波处理,并对数据进行校准,防止出现过大偏差。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统,其特征在于,所述复数核算单元用于处理系统接收的合成孔径雷达回波数据中的复数运算,包括:
对系统接收的合成孔径雷达回波数据进行共轭处理;
提取共轭处理后的数据的复数特征信息;所述复数特征信息包括幅度和相位,幅度表示信号的强度,相位提供信号的时间和空间特征信息;
通过复数累加乘法对复数特征信息增强滤波效果,生成二维时域信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像处理系统,其特征在于,所述低资源消耗DFT模块用于在硬件上实现高效的DFT和IDFT,包括:
对二维时域信号进行DFT2D,将时域信号转化为波数域信号,再次使用滤波器对得到的信号进行滤波;其中,DFT2D表示二维傅里叶变换;
对滤波后的波数域信号进行IDFT2D处理,将波数域信号转换回时域成像数据;其中,IDFT2D表示二维离散傅里叶逆变换。
5.一种基于FPGA的高效合成孔径雷达图像系统实现方法,基于权利要求1~4任一项所述的基于FPGA的高效合成孔径雷达图像系统,其特征在于,包括:
S1、系统上电启动后,接收合成孔径雷达的回波数据;
S2、利用预处理模块对接收到的回波数据进行预处理;
S3、利用复数核算单元对回波数据进行处理,生成二维时域信号;
S4、利用低资源消耗DFT模块将二维时域信号转化为二维波数域信号,并利用滤波器对二维波数域信号进行滤波;
S5、对滤波后的二维波数域信号进行成像显示;
S6、将得到的图像通过HDMI接口传输传到HDMI显示模块输出显示。
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CN118332267A (zh) * | 2024-06-14 | 2024-07-12 | 浪潮电子信息产业股份有限公司 | 一种信号处理系统、方法、产品、设备及介质 |
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